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Gleichstrom - Hochstrom -Watt-oder -Amperestundenzähler Die Erfindung
bezieht sich auf einen Gleichstrom-Hochstrom-Watt- oder -Amperestundenzähler. Gleichstromanlagen
führen in gewissen Fällen so hohe Ströme, daß sie nicht unmittelbar einem Zähler
zugeführt werden können, sondern in den Leiter wird ein Nebenwiderstand eingeschaltet,
an dessen Klemmen der Stromkreis des Zählers angeschlossen ist.
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Solche Nebenwiderstände fallen um so größer und um so teuerer aus,
je höher der zu messende Strom ist.
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Auch ergeben sie für die Gleichstromanlage zusatz liche Verluste.
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Solche und ähnliche Schwierigkeiten werden erfindungsgemäß durch
die Anwendung eines an sich bekannten Hallgenerators im Maul eines vom Hochstrom
erregten Feldmagneten und durch Anschluß der einen Stromachse des Hallgenerators
an die Netzspannung oder eine konstante Spannung und der anderen Stromachse an einen
Wattstunden oder Amperestunden anzeigenden Amperestundenzähler oder durch Anschluß
der einen Achse an eine konstante Spannungsquelle und der anderen an den Hauptstromkreis
eines Gleichstromwattstundenzählers, dessen Spannungskreis an der Netzspannung liegt,
überwunden.
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Insbesondere erhält der Hallgenerator einen Halbleiter mit einer
Trägerbeweglichkeit größer als 6000 cm2/Voltsekunde. Dieser Generator ist in der
Lage, den hohen Meßstrom in gewünschter Weise umzuformen. Solche Hallgeneratoren
sind an sich bekannt. Die Hallspannung ist eine schon lange bekannte physikalische
Erscheinung. Sie wird an einem von einem Strom durchflossenen Leiter im Magnetfeld
beobachtet, wenn dieser Leiter in der einen Achse von dem Magnetfeld in einer dazu
senkrechten Achse von einem Strom durchsetzt wird. Sie entsteht in der dritten zu
den beiden ersten senkrecht stehendenAchs und ist dem Produkt aus dem genannten
Strom und der magnetischen Feldstärke proportional. Während bei Metallen die Hallspannung
sehr klein ist, ergeben sich bei gewissen Halbleitern, wie dies in früheren Vorschlägen
auseinandergesetzt wurde, Spannungen solcher Größenordnung, daß sie für den angegebenen
Meßzweck geeignet sind. Man hat Halbleiter mit einer Trägerbeweglichkeit größer
als 10 000 cm2/Voltsekunde entwickelt, die beispielsweise in einem Feld von 10000
Gauß Spannungen von etwa 0,1 Volt ergeben.
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Besonders eignen sich halbleitende Verbindungen von der Form AIIIBV
des Periodischen Systems, insbesondere Indiumantimonit, InSb, und Indiumacrenit,
InAs.
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Ein solcher Hallgenerator besteht aus einem von dem umzuformenden
Strom oder der umzuformenden Spannung erregten Magneten, beispielsweise einem Hufeisenmagneten,
in dessen Luftspalt ein Halbleiter, etwa in der Form eines Blättchens mit elektrischen
Anschlüssen, in zwei zueinander senkrechten Achsen angebracht ist.
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Man hat auch schon Hallgeneratoren für die Scheinleistungsmessung
in Wechselstromnetzen vorgeschlagen, aber hier liegen die Verhältnisse anders als
in Gleichstrom - Hochstrom - Netzen, weil Wechselstrom durch Transformatoren ohne
weiteres umgeformt werden kann.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert: Fig. 1
und 2 zeigen im Schaltbild zwei verschiedene Ausführungsformen der Erfindung für
Gleichstromwattstundenzähler, Fig. 3 zeigt einen Hallgenerator. Bei 1 ist an ein
nicht dargestelltes Gleichstromnetz ein Stromverbraucher 2 angeschlossen, dessen
Verbrauch gezählt werden soll. Der eine Anschlußleiter 3 ist durch das Fenster eines
Magneten 4 nach Einleiterart hindurchgeführt. In einem Luftspalt des Magneten ist
ein Halbleiterblättchen 5 angeordnet, das der Deutlichkeit halber vergrößert dargestellt
ist. An die in der einen Achse des Blättchens liegenden Klemmen 6, 7 ist über einen
Vorwiderstand 8 die Netzspannung angeschlossen. Die in der anderen Achse liegenden
Klemmen 9, 10 sind über einen, gegebenenfalls auch entbehrlichen Verstärker V an
die Bürsten 11 eines Gleichstrom-Watt-Stundenzählers angeschlossen und laufen auf
einem mit der Ankerwicklung 12 verbundenen Stromwender 13. Der Anker hat Glockenform
und läuft in einem zylindrischen Luftspalt zwischen einem Dauermagnetkern 14 und
einem aus Weicheisen bestehenden Rückschlußzylinder 15. Auf der Stirnseite des Kerns
14 ist eine sogenannte Wärmelegierung 16 mit negativem Temperaturkoeffizienten der
magnetischen Leitfähigkeit angeordnet.
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Die Anordnung arbeitet folgendermaßen: Da der in der Achse 6, 7 fließende
Strom der Netzspannung, das
auf den Halbleiter 5 wirkende Feld dem
Verbrauchsstrom proportional ist, ist die an der Achse 9, 10 liegende Hallspannung
der Leistung, also dem Produkt beider Größen, proportional, und infolgedessen läuft
auch der Zähler mit einer der Leistung proportionalen Drehzahl und zählt bei entsprechender
Eichung die Kilowattstunden des Verbrauchers 2. Auf die Wirkung der Wärmelegierung
16 wird weiter unten näher eingegangen.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist die Ankerwicklung 120 eines
wattmetrischen Gleichstromzählers über einen Vorwiderstand 17 an die Netzspannung
gelegt. Der eine Anschlußleiter 3 durchsetzt hier wie in Fig. 1 wieder den Magnetkern
4 eines Hallgenerators. Das Halbleiterblättchen 5 ist jetzt aber in der Achse 6,
7 fremdgespeist. Diese Fremdspeisung ist durch eine Batterie 18 mit Vorwiderstand
19 angedeudet. Ihre Spannung soll zeitlich konstant sein. oder sie kann zwecks Fehlerkompensation,
wie weiter unten erläutert wird, in bestimmter Weise variiert werden.
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Die Achse 9, 10 des Halbleiters ist über einen gegebenenfalls entbehrlichen
Verstärker V mit der Ständerwicklung20 des Zählers verbunden. Die Wicklung sitzt
auf einem Weicheisenkern 21, an dessen Pole Bleche 26 zur Unterdrückung von Hysteresiseinflüssen
od. dgl. angebracht sind. Auch auf diese Kompensationsart soll weiter unten eingegangen
werden. 15 ist ein als Rückschluß für den Fluß dienender Weicheisenzylinder.
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Die Anordnung arbeitet folgendermaßen: Da die Ankerwicklung 120 an
Spannung liegt und da die Ständerwicklung 20 von der Achse 9, 10 her eine dem Strom
im Leiter 3 proportionale Spannung führt - der Strom in der Achse 6, 7 ist konstant
-, ist die Drehzahl des Zählers der Leistung proportional. Der Zähler zeigt also
bei entsprechender Eichung die Kilowattstunden des Verbrauchers 2 an.
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In Fig. 3 durchsetzt eine Stromschiene 3 unter Zwischenschaltung
von Isolation 22 das Fenster eines hufeisenförmigen Eisenkerns 4, in dessen übergroß
gezeichneten Luftspalt 23 ein Halbleiterblättchen 5 mit den Anschlußachsen 6, 7
und 9, 10 angeordnet ist.
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Durch 24 ist ein zur Beseitigung von Hysteresiswirkungen dienender
magnetischer Nebenschluß, durch 25 ein Stück einer Wärmelegierung angedeutet, das
ebenfalls einen magnetischen Nebenschluß bildet.
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Das Ganze stellt einen Hallgenerator dar, wie er bei den Ausführungsformen
nach Fig. 1 und 2 vorausgesetzt wird.
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Im folgenden soll nun näher auf die Fehlerkompensationsmittel 16,
26, 24 und 25 eingegangen werden.
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Bei den beschriebenen Meßanordnungen haben an sich der Zähler und
der Hallgenerator bestimmte Meßfehler. Man kann diese Fehler, wenigstens teilweise,
dadurch beseitigen, daß man entweder am Zähler oder am Hallgenerator oder an beiden
Teilen entsprechende Kompensationsmittel anbringt. Meist wird es einfacher sein,
Zähler und Hallgenerator gemeinsam auf günstigste Meßeigenschaften abzugleichen.
Dies ist jedoch nicht möglich, wenn Zähler und Hallgenerator austauschbar sein sollen.
Dann muß jedes Gerät für sich entsprechend abgeglichen werden.
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Eine erste Fehlerart ist durch den Temperaturgang des Hallgenerators
bedingt. Die Hall spannung wird mit steigender Temperatur kleiner. Damit nun, unabhängig
von der Temperatur, die Hallspannung stets proportional dem Strom in der Schiene
3 der Fig. 3 ist, ist eine Wärmelegierung 25 mit negativem Temperaturkoeffizientenparallel
zum Luftspalt 13 angebracht.
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Bei niedrigen Temperaturen ist sie magnetisch besser
leitfähig als
bei höheren Temperaturen. Sie entzieht also im kalten Zustand dem Luftspalt 13 einen
größeren Fluß anteil als im warmen Zustand, und dieser Anteil ist so abgeglichen,
daß durch die Erhöhung des den Halbleiter 5 durchsetzenden Magnetfeldes gerade das
durch Temperaturerhöhung bedingte Nachlassen der Hallspannung ausgeglichen wird.
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Auch wenn für den Eisenkern 4 Speziallegierungen mit besonders kleiner
Hysteresis verwendet werden. wie dies bei Gleichstromzählern mit Eisen im Hauptstromfeld
üblich ist, macht sich bei höheren Ansprüchen an die Meßgenauigkeit die Remanenz
doch störend bemerkbar. Zwecks Beseitigung dieser Störung wird der Luftspalt durch
einen magnetischen Leiter 24 überbrückt, der das remanente Feld entweder aufnimmt
oder infolge eigener Hysteresis ein das remanente Feld ausgleichendes Gegenfeld
erzeugt. Meist wird es nötig sein, die magnetischen Eigenschaften des Teils 24 auf
die des Kerns 4 abzustimmen. Ein näheres Eingehen dürfte sich erübrigen, da solche
Kompensationsmittel und ihre Wirkungsweise an sich bekannt sind, beispielsweise
unter der Bezeichnung »Remanenzbügel« bei elektrischen Maschinen.
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Die Kompensationsmittel 24, 25 in Fig.3 wirken auf den magnetischen
Kreis des Hallgenerators ein.
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Statt dessen kann man auch Kompensationsmittel in den Stromkreis einschalten,
indem man z. B. dem Vorwiderstand 8 in Fig. 1 zwecks Temperaturkompensation eine
mit Temperaturzunahme fallende Widerstandscharakteristik gibt. Da auch solche Widerstandsanordnungen,
die dabei verwendeten Kunstschaltungen usw. an sich bekannt sind, erübrigt sich
ein näheres Eingehen. Genauso könnte man auch dem Verstärker V (Fig. 1) einen entsprechenden
Temperaturgang geben, oder man kann auch den Temperaturfehler des Hallgenerators
erst im Zähler, beispielsweise durch die Wärmelegierung 16 (Fig. 1) ausgleichen.
Im kalten Zustand schwächt der Teil 16 das Luftspaltfeld des Zählers und gleicht
dadurch hinsichtlich des Zählerdrehmoments den Zuwachs der Hall spannung bei sinkender
Temperatur aus. Analog kann, wenigstens in gewissen Grenzen, ein Hysteresiseinfluß
des Hallgenerators durch die Eisenteile 26 (Fig. 2) hinsichtlich des Zählerdrehmoments
ausgeglichen werden. Es lassen sich also die für die Fehlerkompensation des Hallgenerators
erforderlichen Mittel wenigstens teilweise im Zähler unterbringen, und analog könnten
die zur Fehlerkompensation des Zählers dienenden Mittel wenigstens teilweise am
Hallgenerator angebracht werden, so z. B. ein Mittel zur Erzeugung eines sogenannten
Vortriebes des Zählers, der zur Kompensation der Ankerreibung dient.
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So kann man z. B. auf den Halbleiter außer dem Elektromagneten 4 noch
einen kleinen Dauermagneten einwirken lassen. Es bleibt dann nach dem Verschwinden
des Magneterregerstroms noch ein gewisser Rest der Hallspannung bestehen, der auf
das Dauermagnetfeld zurückzuführen ist und dieser Rest ist so abgestimmt, daß er
gerade die Reibung des Zählerankers ausgleicht.
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Ist das Feld um den Gleichstromleiter 3 so groß, daß man das Eisenjoch
weglassen kann, so fallen die Kompensationsmittel zur Beseitigung des Hysteresiseinflusses
weg. Auf die sonstigen, bei Gleichstromzählern bekannten Fehlerkompensationsmittel
sei hier nicht näher eingegangen.
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Da bei der Ausführungsform nach Fig. 1 der Umformer einen der Leistung
proportionalen Strom führt, kann der Motorzähler 11 bis 16 auch durch einen Elektrolytzähler,
der entsprechend geeicht ist, ersetzt werden. Diese Anordnung ermöglicht es erstmalig,
Kilowattstunden
auch bei in weiten Grenzen schwankender Spannung mittels eines Elektrolytzählers
in einfacher Weise zu zählen.
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Da man, wie oben erwähnt, auf den Halbleiter außer einem dem Strom
proportionalen Feld auch noch ein konstantes Feld einwirken lassen kann und die
Richtung und Größe dieses Feldes frei wählbar ist, kann man der dem Meßstrom oder
-spannung proportionalen Komponente der Hallspannung auch eine positive oder negative,
aber konstante Hallspannungskomponente überlagern und dadurch an Meßgeräten oder
Zählern einstellbare und zusätzliche positive oder negative Drehmomente hervorbringen.
So läßt sich bei Verwendung von Zählern ein sogenannter Spitzentarif durchführen,
bei dem der Zähler erst bei einer bestimmten einstellbaren Leistungsgrenze zu laufen
beginnt. Der Anker des Zählers ist dabei durch eine Rücklaufhemmung gegen Rückdrehung
gesperrt. Diese Anordnung bietet den Vorteil, daß die sogenannte Anlaufgrenze in
weiten Grenzen durch Beeinflussung des konstanten Feldes, also beispielsweise durch
Verstellen des Dauermagneten, verlagert werden kann.
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Natürlich braucht das für solche Zwecke benötigte konstante Magnetfeld
nicht auf denselben Halbleiterkörper einzuwirken wie das dem Meßstrom proportionale
Feld, sondern man kann dafür einen besonderen Halbleiterkörper verwenden, der je
nach den Verhältnissen mit dem ersteren, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung
von Widerstandskombinationen, in Reihe oder parallel geschaltet ist.
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Natürlich kann bei wattmetrischer Messung sowohl für den Meßstrom
wie auch für die Meßspannung je ein Hallgenerator verwendet werden.
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Die Erfindung bietet den Vorteil, daß man unter Zuhilfenahme eines
Hallgenerators ohne Verzicht auf hohe Meßgenauigkeit mit verhältnismäßig einfachen
Mitteln meßtechnisch auch hohe Gleichströme und -spannungen beherrschen kann. Bei
Gleichstrom-Hochstrom-Anlagen ergibt sich der besondere Vorteil, daß der Hallgenerator
wesentlich kleiner und billiger ausfällt als die bisher gebräuchlichen großen Nebenwiderstände
oder die als Magnetverstärker ausgebildeten Gleichstromwandler.